同一界面，摩擦可相差约300倍——中国科大微纳米复合材料研究所揭示低对称二维材料层间滑移的强各向异性

从“曲面如何贴合”出发解决界面构筑问题

要测量两个二维晶体之间的层间摩擦，首先需要构造一个稳定、平整且晶体取向明确的滑动界面。研究团队采用球形原子力显微镜（AFM）探针作为载体，将二维薄片转移到探针顶端，再与另一块二维材料形成局部接触。然而，这一过程本身就是一个典型的薄膜-曲面耦合力学问题。原本平整的二维薄片要包覆到具有高斯曲率的球面上，必须同时付出弯曲能和面内拉伸能。当薄片尺寸较小时，可以主要通过弯曲适应球面；随着横向尺度增大，面内拉伸代价迅速上升，体系会倾向于通过起皱、屈曲或局部脱粘释放应变。此时，真正参与摩擦的界面状态将变得不可控。

 针对这一问题，研究团队基于薄膜共形力学，结合理论分析和分子动力学模拟，建立了薄片尺度、面内刚度、弯曲刚度与球面曲率之间的标度关系，并据此确定二维薄片稳定共形包覆的几何条件。通过限制薄片有效尺寸，团队使探针顶端的二维材料在实际摩擦接触区域内保持超过95%的共形覆盖，有效抑制褶皱、应变集中与滑动过程中的局部损伤。

图1 力学引导的球形共形探针设计及层间摩擦测量

从标量摩擦到方向分辨的界面剪切响应

在获得稳定的共形接触后，研究团队选取低对称单斜晶体二硒化镍钽（Ta2NiSe5，TNS）作为模型体系，并通过取向保留转移精确控制探针与基底之间的相对晶体方向。实验结果表明，不同方向上的层间滑移响应存在显著差异。当滑动方向接近晶体a轴时，最低摩擦系数约为0.0015，表现出结构超润滑特征；而沿c轴方向发生相对滑动时，摩擦系数升高至约0.45，两种状态相差约300倍。这一差异远大于TNS单一表面的面内摩擦各向异性，后者仅约为5.6倍。这说明低对称二维材料中的层间摩擦并不能简单理解为一个与材料和载荷相关的标量常数，而更接近一种具有明确方向依赖性的界面剪切响应。换言之，晶体取向本身成为决定界面滑移阻力的重要力学变量。 

图2 不同晶体取向下TNS层间滑移阻力的显著差异

原子晶格与莫尔结构共同调控界面摩擦

为了进一步揭示这种强烈摩擦各向异性的微观来源，研究团队将分析推进到原子尺度，利用原子分辨横向力成像对层间界面的摩擦分布进行了表征。实验发现，TNS层间摩擦图像中同时存在两种不同尺度的周期结构。其中，约0.35纳米的的短周期信号对应原子晶格本身的周期性势垒；与此同时，两层晶体发生相对转动后，还会形成数纳米尺度的长周期莫尔调制，并随相对取向变化而系统演化。 

莫尔结构可以理解为两组具有不同相对取向的周期晶格叠加后形成的长周期空间调制。在高对称二维材料中，这类莫尔势通常表现出较高的面内对称性；而TNS具有低对称、准一维链状晶体结构，其莫尔摩擦图案呈现明显的条纹状和方向性特征，体现了母体晶格本身的各向异性。 

结合密度泛函理论计算，研究团队发现不同滑动方向对应不同的层间势能起伏。沿a轴方向滑动时，层间势能面相对平缓，原子配准变化所引起的能垒较低，对应较小的摩擦阻力；而沿c轴方向滑动时，相邻层原子之间出现更强的几何配准和局部锁合，使层间势能起伏显著增强，从而产生更高的摩擦阻力。这表明，TNS层间摩擦的强各向异性来源于一个跨越多个尺度的界面势能景观，即原子晶格决定局域滑移势垒，而莫尔结构进一步在更大尺度上调制界面摩擦分布。  

图3 原子晶格与莫尔结构共同形成的多尺度摩擦景观

该研究从“曲面共形-界面构筑-方向分辨滑移-多尺度势能景观”建立了一条完整的力学研究链条。一方面，团队利用薄膜力学解决了二维材料在球形探针上的稳定共形问题，使晶体取向可控的局部滑动界面成为可能；另一方面，实验表明，对于低对称二维材料，层间摩擦具有显著的方向依赖性，传统的标量摩擦描述需要进一步拓展。 

研究团队发展的共形探针设计方法具有一定普适性，可进一步推广至其他低对称范德华层状材料。与传统探针构筑方法相比，该方法能够同时改善二维薄片在球形探针上的共形性、界面稳定性和晶体取向可控性，为定量研究层间剪切、摩擦耗散及结构超润滑等问题提供新的实验手段。

 从更广泛的力学视角看，该工作表明，晶体取向可以被视为调控界面剪切阻力的一个独立参数。未来，如果进一步结合矢量摩擦测量、速度依赖实验和莫尔界面结构演化表征，有望建立从原子势垒、界面缺陷到宏观摩擦耗散之间更完整的多尺度力学关联。